利用风力发电机的无功功率补偿风电场无功损耗

第33卷第19期电网技术Vol.33No.192009年11月PowerSystemTechnologyNov.2009文章编号：1000-3673（2009）19-0175-06中图分类号：TM614文献标志码：A学科代码：470·4047利用风力发电机的无功功率补偿风电场无功损耗毛启静（北京国电华北电力工程有限公司，北京市西城区100120）CompensatingReactivePowerLossofWindFarmWithReactivePowerGeneratedbyWindTurbineGeneratorsMAOQi-jing（NorthChinaPowerEngineering(Beijing)Co.,Ltd.，XichengDistrict，Beijing100120，China）ABSTRACT:Atpresent,themannerofreactivepowercompensationinsidewindfarmsinChinaistoconfigurecentralizedreactivepowercompensatorsinwindfarmcollectionstations,howeversuchacompensationmannerleadstohighinvestment.Basedonengineeringexample,bymeansofcomputingreactivepowerlossandvoltagefluctuationofwindfarmundervariousenergygeneration,itispointedoutthatthereactivepowerbalanceofwindfarmcanbeimplementedbyutilizingreactivepowerofwindturbinegenerators.Thevoltagefluctuationisthefoundationbywhichthetypeselectionofreactivecompensatorsiscarriedout.Forwindfarmswherethebusvoltagefluctuationduetothevariationofenergygenerationdoesnotexceedthespecifiedvoltagefluctuationrangeofpowergrid,itisproposedthatthereactivepowergeneratedbywindturbinegeneratorsshouldbeutilizedtoreducethecapacityofreactivepowercompensatorsinwindfarmcollectionstation,thustheinvestmentforreactivepowercompensationcanbereduced.KEYWORDS:windpowergeneration；windfarm；reactivepowercompensation；voltagefluctuation；typeselectionofequipments摘要：我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置，这造成风电场无功补偿的投资很大。文章结合工程实例，通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算，提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡，风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据，对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场，应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量，降低无功补偿的投资。关键词：风力发电；风电场；无功补偿；电压波动；设备选型0引言2008年，我国风电装机容量已突破1200万kW，全国已建和在建风电场有上百个。为了保证系统电压稳定，维持电网无功平衡，风电场的汇集站内都安装了具有快速动态调节功能的无功补偿设备，如阀控型无功补偿设备(thyristorcontrolledreactor，TCR)、磁控型无功补偿设备(magneticallycontrolledreactor，MCR)和有载调压型无功补偿设备。这些设备价格昂贵，且电网要求的补偿容量较大(占总装机容量的20%~30%)，造成风电场的无功补偿投资很大，并产生有功损耗大、高次谐波污染等不良影响。另一方面，进口和国产的主流机型都可以以功率因数为−0.95~+0.95(或在其它区间)以定功率因数运行。目前，我国风力发电尚处于起步阶段，对风力发电机组并网运行问题考虑欠充分，已并网的风力发电机大多设定在功率因数为1的状态下运行。随着风电场的装机容量越来越大，无功补偿装置的容量也越来越大，要求标准也越来越高，造成了很大的浪费。在“十二五”期间，我国将建设多个百万kW、甚至千万kW级的大型风电基地，如果仍按照现在的补偿方式，无功补偿的投资将是巨大的。所以，认真分析风电场无功损耗对系统电压的影响，合理利用风力发电机的无功容量具有重要意义。本文将介绍风电场内无功消耗的特点、国内主流机型发无功的原理；结合工程实例分析风电场无功出力对电网电压的影响；并通过计算定量说明利用风力发电机的无功功率可以大幅度减小汇流站无功补偿的容量。同时，本文提出了风电场无功补偿方案应以无功平衡和电压变化为依据，对于无功功率和电压变动满足电网要求的风电场，利用风力发电机发出的无功和汇流站内小容量可自动投切176毛启静：利用风力发电机的无功功率补偿风电场无功损耗Vol.33No.19的电容或电抗器组配合即可实现无功平衡的观点。1风电场内的无功损耗及其特点1.1风电场的无功损耗风电场的无功损耗由以下部分组成：1）风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率，其计算式为Qb=[UdIm/(100Ie)+I0/100]Se(1)2）风电场汇流站主变压器消耗的无功功率，其计算式为QB=[UdIm/(100Ie)+I0/100]Se(2)3）风电场集电线路消耗的无功功率，其容性无功功率和感性无功功率计算式分别为QC=U2ωCl(3)QL=3I2ωLl(4)4）如果并网线路较长，还应考虑高压并网线路50%的无功损耗，其容性无功功率和感性无功功率计算式分别为QC=U2ωCl/2(5)QL=3I2ωLl/2(6)式中：Q为各元件消耗的无功功率，kvar；Ud为变压器的阻抗电压百分值；Im为变压器需要补偿一侧的工作电流值，A；Ie为变压器需要补偿一侧的额定电流值，A；I0为变压器空载电流百分比；Se为变压器的额定容量，kVA；U为计算线路的额定电压，kV；I为线路流过的工作电流；l为风电场架空集电线路的长度，m；ω为电网频率，rad/s；C为架空电力线路的单位电容，一般取7~9pF/m；L为架空电力线路的单位电感，一般取1~1.5μH/m。1.2风电场无功损耗的特点由上述计算公式可以看出，风电场内的变压器损耗、线路感性无功损耗与工作电流的平方成正比，即与风力发电机发出的有功功率的平方成正比，所以风电场的无功损耗是随发电功率的变化而变化的。2风电场无功补偿设备的选型2.1发电功率变化对母线电压的影响下文以河北省某200MW风电场为例，分析风电场的无功损耗对风电场电压的影响。该风电场共装设1500kW双馈风力发电机133台；风电场汇流站设置2×120MVA主变压器，经35kV汇流升压至220kV母线送出，风电场汇集站距对端变电站约33km。根据文献[1]的规定，风电场无功功率变化引起的电压变动按下式计算：ΔU=ΔQ/Ssc(7)式中：ΔQ为无功功率的变化量；Ssc为系统母线侧的短路容量。根据系统提供的近期汇流站220kV母线短路电流(其值为7.53kA)，计算得到的35kV母线的短路容量为1135.4MVA。由式(1)~(4)(7)计算得到，当风力发电机的功率因数cosϕ设定在0.99(进相，即风力发电机吸收无功)时，风电场无功损耗随风电场有功功率的变化以及对汇流站35kV母线电压的影响如表1和图1、2所示。其中：P为发电量占总装机容量的百分数；Pwind为风电场的有功出力；Qf吸为风力发电机在功率因数为0.99(进相)时消耗的无功功率；Q为风电场消耗的无功功率(不含风力发电机)，Q=QB+Qb+QC+QL；Qz为风电场消耗的总无功功率，Qz=Q+Qf吸；ΔU为无功损耗引起的35kV母线电压变动百分比。表1列出了功率因数为0.99(进相)时风电场不同发电量的无功损耗及其对35kV母线电压的影响。图1表示风力发电机吸收的无功功率和风电场消耗的无功功率(不含风力发电机)随发电量的变化曲线。图2表示风电场消耗的总无功功率和35kV母线电压变化量随发电量的变化曲线。根据文献[2]的规定，设r为每h负荷变动频度，当1r≤10时，35kV母线电压的变动限值为2.5%[2]。表1功率因数为0.99时无功功率和母线电压随发电量的变化情况(进相运行)Tab.1Changeofreactivepowerandbusvoltageasgeneratingcapacityvarieswhenpowerfactoris0.99(leadingphaseoperation)P/%Pwind/MWQf吸/kvarQB/kvarQb/kvarQC/kvarQL/kvarQ/kvarQz/kvarΔU/%000−960.0−2128276.90−2811.1−2811.1−0.252040−5699.7−1776.0−2588276.9−443−4530.5−10230.2−0.904080−11399.0−4224.9−3969276.9−1772−9689.0−21088.4−1.865010014249.0−6061.5−5005276.9−2769−13557.9−27807.1−2.4560120−17099.0−8306.2−6271276.9−3987−18286.5−35385.5−3.1280160−22799.0−14019.9−9493276.9−7087−30322.9−53121.6−4.68100200−28498.0−21366−13635276.9−11074−45798.2−74296.7−6.54第33卷第19期电网技术17720406080−100−20−30−40−50P/%Q/MvarQf吸Q100图1Qf吸和Q随发电量的变化曲线Fig.1ThechangecurveofQf吸andQasgeneratingcapacityvaries0.00Qz/Mvar20406080−200−40−60−80P/%QzΔU−2.00−4.00−6.00ΔU/%100图2Qz和ΔU随发电量的变化曲线Fig.2ThechangecurveofQzandΔUasgeneratingcapacityvaries从表1和图2可以看到，当风电场的发电量从0增大到总装机容量的50%时，风电场的无功损耗使汇流站35kV母线电压降低2.45%，仍小于2.5%的规定。该风电场共装设1500kW风力发电机组133台，占地面积约40~50km2。当风速为8m/s时，风电场的发电量约可达到总装机的50%，而在40~50km2的范围内，风速是不可能瞬间由风机的启动风速3m/s上升到8m/s的。所以该风电场不可能出现因发电量变化而造成母线电压变动超出电网规定值的情况。从以上分析可以看出，即使在风力发电机消耗无功功率，功率因数为0.99(进相)时，风电场发电量的变化对35kV母线电压的影响也不会超出规程规定值，也就是说该风电场不需要可快速调节的动态无功补偿装置进行调压，使用分组投切的电容器组就能满足电压和无功调节的需要。2.2无功补偿设备选型的依据无功补偿设备的作用共有2个方面：1）为了维持系统电压稳定，这一功能对无功补偿设备的响应速度要求较高，通常为几ms；2）为了满足系统无功功率平衡，这一功能对无功补偿设备的响应速度要求较低，一般以min计即可。现阶段的风电场设计中，几乎每